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全球最大型的企業(yè)都在啟動(dòng)量子計(jì)算項(xiàng)目，政府也在量子研究工作上投入了大量資金。對(duì)于尚未得到證明其有效性的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)無(wú)疑引起了諸多關(guān)注。

這是因?yàn)?，量子?jì)算機(jī)雖然還遠(yuǎn)未成熟，但預(yù)計(jì)最終會(huì)迎來(lái)一個(gè)全新的計(jì)算時(shí)代——在解決復(fù)雜問(wèn)題方面，硬件將不再是一種約束，這就意味著，以前那些可能傳統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)年甚至數(shù)百年才能完成的計(jì)算，如今只需要幾分鐘內(nèi)就可完成了。

從模擬更高效的新材料，到更精確地預(yù)測(cè)股市如何變化，量子計(jì)算技術(shù)對(duì)于企業(yè)的影響可能是巨大的。下面就是目前企業(yè)組織正在探索量子計(jì)算的八個(gè)場(chǎng)景，有可能從根本上改變整個(gè)行業(yè)的游戲規(guī)則。

1、發(fā)現(xiàn)新型藥物

新藥物的發(fā)現(xiàn)，一部分要依賴(lài)于所謂的“分子模擬”科學(xué)領(lǐng)域，該領(lǐng)域涵蓋了對(duì)粒子在分子內(nèi)相互作用的方式進(jìn)行建模，嘗試創(chuàng)建一種能夠抵抗給定疾病的配置。

這種相互作用非常復(fù)雜，可以呈現(xiàn)出許多不同的形式，這就意味著，根據(jù)分子結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分子的行為方式需要進(jìn)行大量的計(jì)算。

手動(dòng)執(zhí)行計(jì)算操作顯然是不可能的，而且這對(duì)于當(dāng)前的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)其規(guī)模太過(guò)巨大了。事實(shí)上，使用一臺(tái)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)對(duì)一個(gè)只有70個(gè)原子的分子進(jìn)行建模，預(yù)計(jì)需要長(zhǎng)達(dá)130億年。

這就是為什么發(fā)現(xiàn)新藥物需要這么長(zhǎng)時(shí)間：科學(xué)家們大多會(huì)采用試錯(cuò)法，也就是針對(duì)目標(biāo)疾病測(cè)試數(shù)千種分子，希望最終能找到成功的匹配選擇。

然而，量子計(jì)算機(jī)有望在幾分鐘之內(nèi)就解決分子模擬的問(wèn)題。量子計(jì)算系統(tǒng)能夠同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)計(jì)算，可以無(wú)縫模擬構(gòu)成分子的粒子之間所有最復(fù)雜的相互作用，讓科學(xué)家能夠快速識(shí)別成功藥物的候選。

這意味著，目前平均需要10年才能上市的救命藥物可以加快設(shè)計(jì)速度，而且成本效益更高。

目前制藥企業(yè)正在關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)。今年早些時(shí)候，醫(yī)療巨頭羅氏(Roche)宣布與Cambridge Quantum Computing (CQC)達(dá)成合作伙伴關(guān)系，以支持解決阿爾茨海默病方面的研究工作。

小型公司也對(duì)這項(xiàng)技術(shù)很感興趣。例如，合成生物學(xué)初創(chuàng)公司Menten AI與量子退火公司D-Wave展開(kāi)合作，探索量子算法如何推動(dòng)設(shè)計(jì)出最終可用作治療藥物的新型蛋白質(zhì)。

2、創(chuàng)造更好的電池

從驅(qū)動(dòng)汽車(chē)到存儲(chǔ)可再生能源，電池技術(shù)正在推動(dòng)向綠色經(jīng)濟(jì)的過(guò)渡，而且其應(yīng)用范圍將會(huì)越來(lái)越廣泛。但電池技術(shù)還不夠完美：電池容量和充電速度仍然是有限的，這就意味著電池并不總是最合適的選擇。

有一種解決方案，是利用有更高性能的新型材料來(lái)打造電池。這就是另一種分子模擬的問(wèn)題了，也就是對(duì)新型電池材料潛在候選的分子行為進(jìn)行建模。

因此與藥物設(shè)計(jì)類(lèi)似，電池設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)數(shù)據(jù)密集型工作，而且更適合使用量子計(jì)算機(jī)。

這就是為什么德國(guó)汽車(chē)制造商戴姆勒(Daimler)正在與IBM展開(kāi)合作，評(píng)估如何使用量子計(jì)算機(jī)模擬硫分子在不同環(huán)境中的行為，最終目標(biāo)是制造性能更好、壽命更長(zhǎng)、更耐用的鋰硫電池，并且比當(dāng)前的鋰離子電池成本更低。

3、預(yù)測(cè)天氣

盡管當(dāng)今很多尖端超級(jí)計(jì)算機(jī)提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力，但天氣預(yù)報(bào)——尤其是遠(yuǎn)程天氣預(yù)報(bào)——的不準(zhǔn)確仍然令人失望，這是因?yàn)樘鞖馐录赡艹錆M(mǎn)變數(shù)，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法獲取精確預(yù)測(cè)所需的所有數(shù)據(jù)。

另一方面，正如量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)模擬分子內(nèi)發(fā)生的所有粒子相互作用以預(yù)測(cè)行為一樣，量子計(jì)算機(jī)也可以模擬無(wú)數(shù)環(huán)境因素如何共同形成大風(fēng)暴、颶風(fēng)或熱浪等天氣事件。

而且由于量子計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)分析幾乎所有相關(guān)數(shù)據(jù)，因此會(huì)生成比當(dāng)前天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確得多的預(yù)測(cè)，這不僅有利于人們規(guī)劃未來(lái)的戶(hù)外活動(dòng)，還可以幫助政府更好地為自然災(zāi)害做好準(zhǔn)備，以及為氣候變化研究提供支持。

目前這個(gè)領(lǐng)域的研究還在低調(diào)進(jìn)行中，但也有一些致力于發(fā)揮量子計(jì)算機(jī)潛力的新合作伙伴關(guān)系，例如去年European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF)與IT廠商Atos建立了合作伙伴關(guān)系，使用Atos的量子計(jì)算模擬器探索量子計(jì)算對(duì)未來(lái)天氣和氣候預(yù)期的影響。

4、挑選股票

摩根大通(JP Morgan)、高盛(Goldman Sachs)和富國(guó)銀行(Wells Fargo)都在積極探索量子計(jì)算機(jī)在提高銀行運(yùn)營(yíng)效率方面的潛力——這一用例通常被認(rèn)為可能會(huì)帶來(lái)豐厚的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。

量子計(jì)算機(jī)可以通過(guò)多種方式為銀行活動(dòng)提供支持，其中已經(jīng)顯示出一些積極前景的方式是將量子計(jì)算應(yīng)用于稱(chēng)為“蒙特卡羅”(Monte Carlo)模擬的程序中。

蒙特卡羅模擬包括了根據(jù)相關(guān)資產(chǎn)價(jià)格隨時(shí)間的變化對(duì)金融資產(chǎn)進(jìn)行定價(jià)，這就意味著，有必要考慮不同期權(quán)、股票、貨幣和商品的固有風(fēng)險(xiǎn)，這個(gè)程序本質(zhì)上可歸結(jié)為預(yù)測(cè)市場(chǎng)將如何發(fā)展，并且隨著不斷有大量相關(guān)數(shù)據(jù)出現(xiàn)，預(yù)測(cè)也會(huì)變得更加精準(zhǔn)。

根據(jù)高盛與量子計(jì)算公司QC Ware進(jìn)行的研究顯示，量子計(jì)算機(jī)前所未有的強(qiáng)大計(jì)算能力，可以將蒙特卡羅計(jì)算速度提高1000倍。而且，高盛的量子工程師現(xiàn)在已經(jīng)調(diào)整了他們的算法，能夠在量子硬件上運(yùn)行蒙特卡羅模擬，并且這將有可能在短短五年時(shí)間內(nèi)面世。

5、處理語(yǔ)言

幾十年來(lái)，研究人員一直試圖讓經(jīng)典計(jì)算機(jī)將意義與單詞進(jìn)行關(guān)聯(lián)，嘗試?yán)斫庹麄€(gè)句子的意思。這是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，特別是考慮到語(yǔ)言的性質(zhì)，語(yǔ)言是一種交互式網(wǎng)絡(luò)：一個(gè)句子通常必須作為一個(gè)整體來(lái)解釋?zhuān)皇敲總€(gè)單詞含義的“總和”，在這之后才是試圖解釋諷刺、幽默或內(nèi)涵等因素。

因此，即使是最先進(jìn)的自然語(yǔ)言處理(NLP)經(jīng)典算法仍然難以理解基本句子的含義。但研究人員正在研究量子計(jì)算機(jī)是否更適合把語(yǔ)言表示為一種網(wǎng)絡(luò)，從而以更直觀的方式進(jìn)行語(yǔ)言處理。

這被成為量子自然語(yǔ)言處理(QNLP)，是Cambridge Quantum Computing (CQC)公司目前的關(guān)注重點(diǎn)。該公司已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，句子可以在量子電路上進(jìn)行參數(shù)化，其中可以根據(jù)句子的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)嵌入詞義。最近，CQC發(fā)布了Lambeq，一個(gè)用于量子自然語(yǔ)言處理的軟件工具包，可以將句子轉(zhuǎn)換為量子電路。

6、解決差旅問(wèn)題

銷(xiāo)售人員會(huì)收到一份他們需要出差的城市列表，以及每個(gè)城市之間的距離，找出一條能夠最大限度上節(jié)省旅行時(shí)間、花費(fèi)最少的路線(xiàn)。聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，而“差旅問(wèn)題”是很多公司在嘗試優(yōu)化供應(yīng)鏈或交付路線(xiàn)時(shí)面臨的一大問(wèn)題。

隨著銷(xiāo)售員需要出差的城市不斷增加，可能的路線(xiàn)數(shù)量也在成倍增加。對(duì)于跨國(guó)公司來(lái)說(shuō)，可能要處理數(shù)百個(gè)目的地、數(shù)千個(gè)車(chē)輛和嚴(yán)格的截止日期，問(wèn)題也會(huì)變得規(guī)模巨大，導(dǎo)致傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法在合理時(shí)間內(nèi)解決。

例如，能源巨頭埃克森美孚(ExxonMobil)一直在努力優(yōu)化跨洋商船的日常航線(xiàn)，涉及到50000多艘船只，每艘載有200000個(gè)集裝箱，運(yùn)送總價(jià)值為14萬(wàn)億美元的貨物。

目前已經(jīng)有一些經(jīng)典算法可應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，但考慮到大量潛在可探索的路線(xiàn)，這種模型不可避免地不得不最終被簡(jiǎn)化和近似。因此，埃克森美孚與IBM展開(kāi)合作，研究量子算法是否可以在這方面做得更好。

量子計(jì)算機(jī)一次可進(jìn)行多項(xiàng)計(jì)算，這就意味著量子計(jì)算機(jī)可以串聯(lián)運(yùn)行所有不同的路線(xiàn)，使其能夠比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快地發(fā)現(xiàn)最佳解決方案，而后者必須按順序評(píng)估每個(gè)選項(xiàng)。

?？松梨诘慕Y(jié)果似乎很有前景：模擬表明，一旦硬件得到改進(jìn)，IBM的量子算法可以提供比經(jīng)典算法更好的結(jié)果。

7、減少擁堵

優(yōu)化城市交通信號(hào)的時(shí)間，使其能夠適應(yīng)等待車(chē)輛數(shù)或者時(shí)間，大大有助于順暢車(chē)輛流動(dòng)和避免繁忙路口的擁堵。

這是經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以解決的另一個(gè)問(wèn)題：變量越多，系統(tǒng)在找到最佳解決方案之前必須計(jì)算的可能性就越多。但與差旅問(wèn)題一樣，量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)評(píng)估不同的場(chǎng)景，更快地得出最佳結(jié)果。

微軟一直在與Toyoto Tsusho以及量子計(jì)算初創(chuàng)公司Jij合作研究這個(gè)場(chǎng)景。研究人員已經(jīng)開(kāi)始在一種模擬城市環(huán)境各種采用基于量子的算法，目的是減少擁堵。根據(jù)實(shí)驗(yàn)最新結(jié)果顯示，該方法可以將交通等待時(shí)間減少多達(dá)20%。

8、保護(hù)敏感數(shù)據(jù)

現(xiàn)代密碼學(xué)依賴(lài)于由算法生成的密鑰來(lái)編碼數(shù)據(jù)，這意味著只有被授予訪問(wèn)密鑰的各方才能解密信息。因此，風(fēng)險(xiǎn)是雙重的：黑客可以截獲加密密鑰來(lái)破譯數(shù)據(jù)，也可以使用功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來(lái)嘗試預(yù)測(cè)算法生成的密鑰。

這是因?yàn)椋瑐鹘y(tǒng)安全算法是確定性的：給定的輸入將始終產(chǎn)生相同的輸出，這意味著黑客通過(guò)適當(dāng)?shù)挠?jì)算能力就可以預(yù)測(cè)出結(jié)果。

這種方法需要非常強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，而且對(duì)于密碼學(xué)來(lái)說(shuō)并非是一項(xiàng)短期風(fēng)險(xiǎn)。但是硬件正在不斷完善，安全研究人員也越來(lái)越多地發(fā)出警告，未來(lái)某個(gè)時(shí)候我們將需要更安全的加密密鑰。

有一種增強(qiáng)密鑰的方法，是使密鑰完全隨機(jī)且不合邏輯——換句話(huà)說(shuō)，不可能用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。

事實(shí)證明，隨機(jī)性是量子行為的基本組成部分：例如，構(gòu)成量子處理器的粒子行為方式完全是不可預(yù)測(cè)，因此這可以用于生成一種連最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)也無(wú)法進(jìn)行逆向推測(cè)的加密密鑰。

隨機(jī)數(shù)生成是一種已經(jīng)接近商業(yè)化的量子計(jì)算應(yīng)用。例如，英國(guó)初創(chuàng)公司Nu Quantum正在打造一套系統(tǒng)，可測(cè)量量子粒子的行為以生成隨機(jī)數(shù)字流，以打造更強(qiáng)大的加密密鑰。